Abaqus中的垫片模拟详细教程

本篇讨论了 Abaqus/Standard 中的垫片仿真，重点介绍实际应用。垫片在配合表面之间提供经济高效的密封，并适用于各种行业。

什么是垫片？

垫片的主要用途是在两个法兰之间提供牢固的密封，承受热负荷和机械负荷，抵抗不同材料的暴露，以及确保整体系统的完整性。重要示例包括内燃机中的缸盖和气门室盖垫片。

我们为什么使用垫片？

一个常见的问题是，“为什么不直接将法兰夹紧在一起，而不是使用垫圈？

尽管这种方法很简单，但它并不是最经济的解决方案。夹紧法兰需要使用更多的螺栓、平稳的法兰加工（增加成本）或潜在的焊接，这在拆卸过程中会带来复杂性。

垫片在防止泄漏和确保密封部件的完整性方面起着决定性的作用。了解它们在复杂装配体和载荷条件下的行为和属性对于准确的工程分析至关重要。

垫片的典型应用有哪些？

典型应用包括：

• 在内燃机中，垫片应用包括气缸盖垫片、排气歧管垫片、气门室盖垫片和进气歧管垫片。

• 医疗设备

• 食品包装

• 手机

• 燃料电池

我们使用哪些类型的垫片？

垫片有不同的类型，包括金属和非金属垫片。金属垫圈由钢、铝和铜制成，具有耐用性和弹性。非金属垫片可以由纤维材料、复合材料、模制橡胶和石墨制成。每种材料类型都是根据其特定特性和应用要求选择的。

垫片分析中的挑战

由于垫片具有复杂的几何形状和复杂的行为，尤其是在沿厚度方向的机械响应方面，垫片仿真在高级工程分析中可能具有挑战性，但也很关键。

• 面内尺寸通常与厚度有很大差异，这可能导致复杂的网格划分过程。

• 有限元分析可能需要一个复杂的模型来解释复杂的厚度行为、复杂的校准和网格划分，并产生一个具有数百万自由度的复杂模型。

此外，必须将垫圈与整体结构一起考虑，天花板分析要解决法兰和紧固件的柔度问题。

整体方法对于解决这些复杂性至关重要，同时要认识到垫片在更广泛的结构环境中的作用。

Abaqus 解决方案：垫片元件

Abaqus 推出了一个专用解决方案，其中包含专门用于对垫圈进行建模的垫片元件。这些单元通过以下方式改进和简化与垫片相关的网格划分和建模挑战：

• 通过消除对过度精细的实体单元网格的需求来提高网格质量。

• 使用一层沿厚度的垫片单元简化网格创建。

• 通过使用轮廓确定网格划分要求来简化网格修改。

• 利用本构建模来解决与厚度沿厚度的机械响应相关的复杂垫片厚度行为。数据可以从测试数据或垫片截面的有限元模型结果中输入。

Abaqus/Standard 中的预紧截面是应用螺栓载荷的便捷方法。或者，Abaqus/Standard 和Abaqus/显式提供连接器元件技术。

Abaqus 中的垫片单元类型

Abaqus 为垫片元件提供两种主要配方：常规垫片元件和仅普通垫片元件。

常规垫片单元每个节点有 3 个自由度，可以模拟解耦膜、横向剪切和沿厚度行为。

仅普通垫片单元具有一个自由度。它们仅对全厚度行为进行建模。纯普通垫片元件在数值上比普通垫片元件更具成本效益，但并不常见。

常规垫片元件特性：

• 所有行为都可以包括热膨胀。

• 膜和横向剪切行为是弹性的。

• 全厚度行为可以是塑性的，并且具有永久蠕变变形或遵循受损的弹性响应。

这两种类型的垫片单元都可用于模拟三维、轴对称和平面问题。垫片单元可以应用于静态仿真、动态仿真、频率仿真或频率提取，并且它们是为小应变和小位移计算而制定的。

垫片元件公式

Abaqus/Standard 包含各种元素类型，包括具有 2 个、4 个和 8 个节点的元素。这些单元可用于静态、动态、静态扰动、准静态和频率仿真，以满足不同的工程场景。

通常，垫片网格在整个厚度上都有一个垫片单元。此处显示的垫片网格中的不同颜色表示不同的垫片行为。红色网格的垫圈行为与绿色网格不同。

动态垫片具有由粘弹性定义有些垫片元件的节点处具有温度自由度，允许热量通过厚度方向传递。

垫片元件是为全局小应变和小位移计算而配制的，但也可用于大位移计算。如果垫片元件发生显着旋转，则不适合使用，因为局部方向不会旋转。垫片元件可以有大的封闭;如果需要，顶部可以穿过底部。

• 区域单元具有定义垫片顶面和底面上的面的节点。

• 法线从底部到顶部并定义厚度方向。

• 垫片的厚度是根据节点位置计算的，也可以直接在垫片截面选项中指定。

• 垫片单元的默认厚度（局部 1 方向）由 Abaqus 使用节点坐标计算。

• 用户可使用 Gasket Section 选项覆盖一组垫片元素的此默认局部 1 方向。

• 可以使用 Normal 选项在节点基础上指定局部 1 方向。

• 在垫片单元节点处获得的厚度方向的方向余弦列在打印输出 （.dat） 文件中。

垫片元件连接可能不同于实体元件连接。对垫圈的节点进行编号至关重要，因为它定义了垫圈的法线方向。如有必要，请在元素上使用实体元素编号参数来解决此差异。如果网格生成器不支持垫片单元，或者在使用连续单元对垫片中的热传导进行建模的热应力分析中，这可能很方便。

幸运Abaqus/CAE支持垫片元件。用户可以制作具有正确厚度方向的垫片网格;但是，在某些情况下，您可能必须重新排列单元定义中的节点顺序，以获得正确的厚度方向。输出到数据 （.dat） 和 Abaqus/Viewer 的输出将使用正常的垫片元件连接。

例

以下示例展示了对垫圈元件进行编号的正确方法。右图按顺序 1-2-3-4 定义单元，仅适用于平面应变单元或平面应力单元 CPE4 或 CPS4。

在垫片单元的上下文中，厚度方向必须从底部翼缘延伸到顶部翼缘。因此，纵横交错的连接模式势在必行。因此，如果您希望使用右侧图片的编号方法，则必须声明实心元素编号等于 4。这将指示 Abaqus 将此元件的第四个侧面（定义为普通元件）视为垫片的底部。

在将垫圈集成到计算模型之前，验证垫圈的性能至关重要，尤其是在对复杂和膨胀的系统进行仿真时。

垫片元件几何

考虑下面的示例，使用简化的网格对我们的复杂垫片进行建模。左图显示了 A-A 部分复杂垫片几何形状的横截面，具有战略性放置的凸起以产生天花板压力。然而，中心区域的间隙需要大幅压低凸块才能到达垫片体。

我们的方法包括在底部对这个横截面进行建模，以表示我们的垫片网格。我们对截面施加压力以考虑间隙和颠簸，确定垫片闭合所需的力。这是通过在 Abaqus 中定义单元内的压力闭合曲线来实现的，该曲线在厚度方向上适应复杂的机械响应，包括间隙效应。Abaqus 中的压力闭合定义允许我们考虑厚度方向上的复杂机械响应，包括间隙的影响。

由于垫片的中间横截面和凸起的差异，我们为每种情况定义了不同的行为。Abaqus/CAE 中的垫片定义是可以实现的，但为简单起见，一些细节被掩盖了。Abaqus/CAE 提供了用于垫片定义的全面工具集。

此外，3DEXPERIENCE 平台支持 Material Definition 应用程序中的 Gasket 行为。这种集成增强了垫片建模在更广泛的计算框架内的多功能性。

垫片厚度行为

Abaqus 中的垫片行为是使用压力闭合曲线、材料定义以及损伤和弹塑性行为之间的选择来定义的。压力闭合曲线是通过在机器中测试垫片并提取必要的数据来定义行为而获得的。

Abaqus 提供了用于输入垫片区域变化方式的选项，特别是对于线垫片。然后，这些数据用于定义垫片行为，有两种基本类型：损伤和弹塑性。损伤类型涉及非线性弹性响应，其中可能包括损伤的影响，而弹塑性类型包括卸载时的塑性或残余闭合。

什么是损害行为？

TYPE=DAMAGE 定义可能包括损伤影响的非线性弹性响应。如果存在卸载曲线不遵循输入卸载曲线的问题，则使用 INTERPOLATION=DIRECT。

例如，如果垫片表现出意外行为，偏离指定的曲线，建议探索这个新选项。

由此产生的厚度行为与在超弹性中观察到的受损弹性响应非常相似，称为 Mullins 效应。在将垫圈加载到 B 点并随后卸载时，如果定义了损伤卸载，则响应会弹性返回到 A 点。重新加载时遍历损坏的曲线，并相应地继续该过程。

为这种类型的厚度响应定义了一条主要载荷曲线，并附有一组卸载曲线。Abaqus 采用插值法，在从中间压力进行卸载时得出相应的卸载行为。

什么是弹塑性行为？

Abaqus 中的弹塑性行为在卸载时表现出塑性或残留闭合，类似于弹塑性材料。该软件提供了定义屈服点和修改插值的选项，以便在仿真中实现精确的垫片行为。

默认的可塑性起始遵循 10% 规则，允许用户根据偏好自定义此标准。选择“类型等于损坏”通常不那么麻烦，尤其是在垫圈未完全卸载的情况下。

Abaqus 支持垫片单元的各种材料选项，包括用户定义的材料，并能够直接在厚度行为中指定动态刚度和阻尼。蠕变选项可用作垫片行为或材料选项的子选项，用于蠕变分析。

垫片元件输出变量

在分析垫片元件的输出时，关键参数包括天花板压力，表示为 S11。例如，此名称适用于像 GK3D8CS 这样的元素。对于管线垫片元件，天花板压力由 E11 表示。

E11 表示垫圈闭合，以垫圈元件特有的长度单位测量。虽然可以从垫圈中提取其他变量，但最常检查的是 S11 和 E11，它们捕获了压力闭合。

对于寻求更多自定义输出变量的用户，可以使用用户输出变量和子例程 UVARM 创建用户定义的输出变量。值得注意的是，最近的 Abaqus 版本支持 LINUX 用户的 gfortran。

垫片元件使用的实用技巧

有效使用垫片元件的实用技巧包括验证垫片行为和收敛特性。

设置单个垫片单元模型，通过向下推、卸载和确认压力闭合行为来检查其行为。这种预防措施可以防止在运行大型复杂模型后发现垫片行为的差异。

此方法对 Abaqus 模拟中引入的任何新功能都非常有用。在将复杂材料模型整合到更广泛的仿真中之前，使用简化的模型验证它们的性能、连接器元件行为等至关重要。

对于垫片，涉及整个垫片的全面测试可以验证正确的间隙行为，并确保只有在间隙适当闭合后才会产生密封压力。

垫片元件可能会出现技术问题，尤其是在元件没有支撑的情况下。无支撑垫片元件是指垫片的一部分在没有适当支撑的情况下延伸到间隙（例如法兰上的孔）上的情况。这种情况可能会导致分析过程中出现问题。

为了解决这个问题，在垫片部分有一个称为稳定刚度s 的选项，专门用于管理无支撑的垫片元件。在数据检查期间，您可以通过检查打印的输出文件中的 “no intersection” 文本来识别不支持的垫片单元节点。

应用少量刚度来减轻由初始间隙引起的数值病态问题。Abaqus 默认使用超出间隙的坡度乘以 0.001 来确定间隙刚度。

但是，这可能会导致垫片主体上的刚度过大和明显的天花板压力。为了解决这个问题，拉伸刚度系数选项是垫片厚度行为的一部分，允许用户控制并可能降低该系数，从而确保更准确的结果。

结论

由于垫片的复杂几何体和复杂行为，Abaqus/Standard 中的垫片仿真带来了许多挑战。在有限元分析中使用垫片元件对于准确捕获垫片在各种载荷条件下的行为至关重要。

Abaqus 为垫片分析提供了强大的解决方案，克服了与有限元建模相关的传统挑战。工程师可以通过整合专门的垫片单元和厚度行为定义来实现更高效、更准确的仿真，从而改进产品设计和可靠性。

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